Будут ли у нас в будущем магниты только с одним полюсом?

Магниты. Мы видим их в бесчисленном множестве различных форм и размеров и во множестве различных устройств. Это было настолько распространенной частью нашего детства, что мы все знаем самые основные и распространенные свойства магнитов.

Во-первых, они притягивают материалы с содержанием железа.

Второе - они имеют два полюса (диполи), северный и южный.

И, наконец, когда мы пытаемся разломать магнит на части, чтобы отделить каждый полюс, мы все равно получаем два магнита с двумя полюсами. Полюса просто неразделимы!

В старые времена мы называли такие вещи "магией", но в физике магнит просто демонстрирует свойство линий магнитного поля. Эти линии поля представляют собой замкнутые петли между двумя противоположными полюсами. Короче говоря, мы никогда не находили магнит только с одним полюсом и поэтому считаем, что магниты могут существовать только в виде диполей.

Теперь мы знаем, что это верно лишь отчасти. Мы никогда не сможем разделить диполи... но что, если мы скажем вам, что магнитные монополи существуют? Именно с этой целью проводятся обширные исследования и дорогостоящие эксперименты!

Удивительно, но разговоры о монополях ведутся уже давно, еще со времен Пьера Кюри. Однако потребовалось много времени, чтобы идея укоренилась, и теперь, когда у нас есть значительные теоретические наработки, начались реальные поиски монополей. Давайте рассмотрим, как возникла идея монополей, и на каком этапе мы сейчас находимся.

Монополь Дирака

Дирак был первым, кто использовал настоящую физику и математику для описания монополя. Его картина монополя выглядела очень просто. Сначала он придумал соленоид — устройство, состоящее из спиральных проводов, длина которых больше диаметра. Когда по этим проводам проходит электрический ток, создается магнитное поле. Эти силовые линии магнитного поля похожи на те, что мы видели для стержневых магнитов.

Вы заметите, что линии поля находятся очень далеко друг от друга вблизи центра (снаружи) магнита, что означает, что магнитное поле здесь самое слабое.

Теперь Дирак представил свой соленоид бесконечно длинным, настолько длинным, что линии магнитного поля находятся очень далеко друг от друга, что делает магнитное поле практически несуществующим. Это почти разъединяет два полюса, но линии поля, проходящие внутри соленоида, все еще существуют, соединяя два полюса.

Чтобы решить эту проблему, Дирак представил соленоид настолько тонким, что его практически невозможно увидеть, настолько тонким, что линии поля, соединяющие два полюса, отсутствуют. Так он представлял образ монополей, и эта картина и есть то, что называется струной Дирака.

Это может показаться абсурдным, но Дирак настолько твердо верил в монополи, что идея несуществования монополей была для него абсурдной.

Однако у его теории был один большой недостаток. Энергия его монополя была бесконечной.

Когда Дирак растягивал воображаемый соленоид в длину и утончал его до нуля, теоретически все магнитное поле этого бесконечно большого магнита должно было концентрироваться на двух его полюсах. Таким образом, его воображаемые монополи обладали бесконечно большой энергией.

К счастью, это была всего лишь предложенная модель монополя. Очевидно, что изготовить такой магнит невозможно, а частица с бесконечной энергией не может существовать. Тем не менее сама идея монополей была настолько интригующей, что другие ученые также пытались доказать их существование в теории.

Монополь ТВО

Именно Хофт и Поляков предложили лучшую картину монополий в своей теории, которую они назвали "Теорией Великого Объединения (ТВО)".

Чтобы сначала понять название, мы должны иметь базовое представление о квантовой теории поля (КТП).

Представьте, что КТП — это дом, в котором живет семья, состоящая из различных полевых теорий элементарных частиц.

Строительные блоки этого дома (КТП) — квантовая механика, специальная теория относительности и теория поля. Проще говоря, КТП дает приют различным наукам об элементарных частицах. Теория Великого Объединения (ТВО) — это то, что вы получите, если замените всех членов семьи одной фигурой, которая играет все их роли.

Итак, вместо разных теорий поля для разных типов частиц у нас есть одна теория для всех частиц в ТВО.

Хофт и Поляков использовали эту одну большую теорию, называемую Теорией Великого Объединения, чтобы подтвердить существование магнитных монополей.

Согласно ТВО, монополи существуют! Эта теория также предсказывает, что они имеют энергию около 1016 ГэВ!!! Вам может понадобиться помощь в визуализации того, сколько это энергии.

Один электронвольт (эВ) представляет собой энергию одного электрона, проходящего через один вольт потенциала. Теперь один ГэВ - это энергия одного миллиарда таких электронов. Теперь представьте себе энергию 10¹⁶ (то есть 16! нулей после единицы) раз больше энергии одного миллиарда электронов! Довольно большая величина!

Это энергия одного монополя.

Сегодня их метко называют сверхмассивными монополями, поскольку теперь у нас есть теории и для менее энергичных монополей.

Заключение

С тех пор как были придуманы сверхмассивные монополи, появились предсказания о промежуточных и меньших монополях, но вопрос в том, что если не в нашем естественном мире, то где мы их вообще можем найти?

Ответ, как и на многие другие вопросы, лежит в небе.

Считается, что сверхмассивные монополи существовали в изобилии в ранние времена существования Вселенной, а промежуточные и сверхмассивные монополи, вероятно, существуют в космосе.

Только благодаря многочисленным исследованиям начались поиски этой частицы. Теории настолько убедительны, что по всему миру проводятся чрезвычайно дорогостоящие эксперименты по поимке этих гипотетических частиц.

Однако это не первый случай, когда такие дорогостоящие эксперименты проводятся на основе теорий. Возможно, вы знаете самый известный из этих случаев. Теория бозона Хиггса была впервые предложена в 1964 году! Был долгий период обширных исследований на эту тему, после чего начались дорогостоящие эксперименты. Спустя годы этих экспериментов, наконец, был сделан вывод, что он действительно существует.

Нам остается только ждать того дня, когда объявят о существовании монополей, и тогда, кто знает... возможно, когда-нибудь у нас даже появится монопольный магнит, с которым можно будет поиграть!